《微裝配與MEMS仿真導(dǎo)論》課件第2章

第二章MEMS工藝及器件特性21MEMS材料工藝特性

22MEMS器件結(jié)構(gòu)功能

23MEMS系統(tǒng)產(chǎn)品簡(jiǎn)介

MEMS的系統(tǒng)劃分自上而下分為工藝級(jí)、物理級(jí)、器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)四個(gè)層級(jí)，對(duì)應(yīng)于各層級(jí)分別表現(xiàn)出MEMS的材料特性、結(jié)構(gòu)特性和功能特性，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.1所示?，F(xiàn)就各層級(jí)特點(diǎn)將MEMS特性分別進(jìn)行描述。

圖2.1MEMS系統(tǒng)層級(jí)與其表征特性對(duì)應(yīng)關(guān)系

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制造前理論分析，尤其是對(duì)尺度效應(yīng)等具體問(wèn)題分析時(shí)，往往會(huì)涉及到MEMS材料特性，其特性在很大程度上也與MEMS加工工藝有關(guān)。

所謂加工，是運(yùn)用各種工具將原材料改造成為具有某種用途的形狀。提及加工，自然會(huì)聯(lián)想到機(jī)械加工。機(jī)械加工是將某種原材料經(jīng)過(guò)切削或模壓形成最基本的部件，然后將多個(gè)基本部件裝配成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。2.1MEMS材料工藝特性某些機(jī)械加工也可以稱為微納米加工，因?yàn)榫推浼庸ぞ榷?，某些現(xiàn)代磨削加工或拋光加工的精度可以達(dá)到微米或納米量級(jí)。但這里的微米或納米是指工件形狀的精度。微納米加工不同于傳統(tǒng)加工，其最本質(zhì)的區(qū)別是加工形成的部件或結(jié)構(gòu)本身的尺寸在微米或納米量級(jí)。形成微納米結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)可大體分為三種類型：平面工藝、探針工藝和模型工藝。以平面工藝為基礎(chǔ)的微納米加工是與傳統(tǒng)機(jī)械加工概念完全不同的加工技術(shù)。平面工藝依賴于光刻(Lithography)技術(shù)。首先將一層光敏物質(zhì)感光，通過(guò)顯影使其感光層受到輻射部分留在基底材料表面；通過(guò)多層曝光、腐蝕或沉積，復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)可以從基底材料上構(gòu)筑起來(lái)。這里的光刻是廣義的，實(shí)現(xiàn)感光層圖案不僅可以通過(guò)光學(xué)的曝光，還可以是電子束曝光、離子束曝光和X射線曝光。這些圖案可以通過(guò)掩膜投影實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)直接掃描激光束、電子束或離子束實(shí)現(xiàn)。腐蝕技術(shù)包括化學(xué)液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕。材料沉積技術(shù)包括熱蒸發(fā)沉積和電鑄沉積。探針工藝可以說(shuō)是傳統(tǒng)機(jī)械加工的延伸，是用各種微納米尺寸的探針取代了傳統(tǒng)的機(jī)械切削工具。這里的探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針、原子力顯微探針等物理形式的探針，還包括聚焦離子束、激光束、原子束和火花放電微探針等非固態(tài)形式的探針。原子力探針可以直接操縱原子的排列，可以直接在基底材料表面形成納米量級(jí)的氧化層結(jié)構(gòu)。這些固體微探針也可以通過(guò)“點(diǎn)墨法”將分子液體傳遞到固體表面，形成納米量級(jí)的單分子層點(diǎn)陣或圖形。非固態(tài)微探針，如聚焦離子束，可以通過(guò)聚焦得到小于10nm的束直徑，由聚焦離子束濺射刻蝕或化學(xué)氣體輔助沉積可以直接在各種材料表面形成微納米結(jié)構(gòu)。聚焦激光束已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)加工工藝，作為切割或焊接工具。高度聚焦的激光束也可以直接剝蝕形成微納米結(jié)構(gòu)，例如近年來(lái)飛速發(fā)展的飛秒激光加工技術(shù)。

探針工藝與平面工藝的最大區(qū)別是，探針工藝只能以順序方式加工微納米結(jié)構(gòu)，而平面工藝是以平行方式加工的。因此平面工藝是一種適合于大量生產(chǎn)的工藝。但探針工藝是直接加工材料，而不是像平面工藝那樣通過(guò)曝光光刻膠間接加工的。模型工藝則是利用微納米尺寸的模具復(fù)制出相應(yīng)的微納米結(jié)構(gòu)。模型工藝包括納米壓印技術(shù)、塑料模壓技術(shù)和模鑄技術(shù)。納米壓印技術(shù)是利用含有納米圖形的圖章壓印到軟化的有機(jī)聚合物層上。納米圖章可以用其他微納米加工技術(shù)制作。雖然平面工藝中的曝光技術(shù)也可以制作此類納米圖形，但納米壓印技術(shù)可以低成本大量復(fù)制納米圖形。納米壓印還有多種派生技術(shù)，包括以曝光輔助壓印形成納米圖形。模壓的結(jié)構(gòu)尺寸在微米以上，多用于微流體與生物芯片的制作。模壓技術(shù)也是一種低成本微細(xì)加工技術(shù)。模鑄技術(shù)包括塑料模鑄和金屬模鑄。無(wú)論模壓還是模鑄都是傳統(tǒng)加工技術(shù)向微納米領(lǐng)域的延伸。模壓與模鑄的成型速度快，因此也是適用于大量生產(chǎn)的工藝。2.1.1硅微加工技術(shù)

硅基MEMS技術(shù)是微結(jié)構(gòu)制作中一種常用的技術(shù)，它來(lái)源于IC加工技術(shù)，將傳統(tǒng)的IC加工技術(shù)由二維的平面加工技術(shù)發(fā)展為三維的立體加工技術(shù)，主要包括體硅微加工技術(shù)、表面硅微加工技術(shù)和鍵合技術(shù)。體硅微加工技術(shù)通常利用硅腐蝕的各向異性來(lái)制造各種幾何結(jié)構(gòu)，再通過(guò)鍵合技術(shù)將兩部分硅的微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起形成機(jī)電裝置；表面硅微加工技術(shù)則是在硅基片表面加工出可動(dòng)微機(jī)電結(jié)構(gòu)。體硅微加工可以制作較大深寬比的三維微結(jié)構(gòu)，但不能直接制作可活動(dòng)構(gòu)件，需要通過(guò)靜電鍵合或熱鍵合工藝來(lái)獲得含活動(dòng)件的微結(jié)構(gòu)。體硅微加工技術(shù)和表面硅微加工技術(shù)均是由微電子加工技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，其工藝已相當(dāng)成熟，與微電子工藝的兼容性較好，適合于批量制作含有集成電路的微結(jié)構(gòu)。2.1.2LIGA工藝

LIGA是德文Lithographie、Galanoformung和Abformung三個(gè)詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫(xiě)。LIGA工藝是一種X射線光刻的MEMS加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制三個(gè)工藝步驟。由于X射線有非常高的平行度、極強(qiáng)的輻射強(qiáng)度、連續(xù)的光譜，因此LIGA技術(shù)能夠制造出深寬比達(dá)到500、厚度大于1500μm、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu)。這是其他微制造技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

LIGA工藝可用材料的種類較多，如金屬、塑料、陶瓷等；缺點(diǎn)是因?yàn)槭褂冒嘿F的同步X射線和X射線掩膜，所以成本很高，得到的微結(jié)構(gòu)是直柱狀的，難于加工含有曲面、斜面和高密度微尖陣列的微器件等。

LIGA技術(shù)被視為微納米制造中最有生命力、最有前途的加工技術(shù)。利用LIGA技術(shù)，不僅可制造微納米級(jí)尺度結(jié)構(gòu)，而且還能加工尺度為毫米級(jí)的Meso結(jié)構(gòu)。2.1.33IH工藝

3IH體光刻工藝是從宏觀的立體光刻技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，光刻的對(duì)象是液態(tài)紫外抗蝕劑。該抗蝕劑能夠在紫外光的照射下產(chǎn)生固化現(xiàn)象。為了得到紫外光聚合物的三維結(jié)構(gòu)，首先需要加工出二維片狀結(jié)構(gòu)，稱之為片狀單元，這些片狀單元可以很容易地通過(guò)CAD系統(tǒng)得到。在上述的加工工藝中，體硅微加工技術(shù)難于加工高深寬比的微結(jié)構(gòu)。LIGA技術(shù)雖然能夠制作高精度、高深寬比、側(cè)面陡直的微細(xì)結(jié)構(gòu)，卻難于加工含有各種微曲面、斜面和高密度微尖陣列的微器件。另外，LIGA技術(shù)在加工過(guò)程中都需要掩膜，因而其精確度和靈活性受到了限制。它們不能夠根據(jù)圖形的變化隨時(shí)進(jìn)行相應(yīng)變動(dòng)，而必須更換不同的掩膜板，加工工藝不夠靈活，而且所用的掩膜板主要是由電子束光刻生成的掩膜板或由此轉(zhuǎn)換而成的掩膜板。由于轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在誤差不能很好地反映電子束掩模板的精度，因而其光刻精度低于電子束光刻技術(shù)。

3IH工藝可以加工出硅加工工藝和LIGA技術(shù)難于加工的具有任意曲面、斜面等結(jié)構(gòu)的微立體構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了真正意義下的微結(jié)構(gòu)三維加工。但是，由于該工藝中使用的光源為紫外光源，光斑尺寸和光刻分辨率受到光學(xué)性質(zhì)的限制，再加上X、Y向的掃描是靠機(jī)械移動(dòng)來(lái)完成的，其加工精度受到限制，分辨率目前僅為亞微米級(jí)。因此這些微三維加工技術(shù)不能很好地適應(yīng)將來(lái)的高速發(fā)展，需要尋求更好的加工工藝，以便生產(chǎn)出精度更高、更復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。

MEMS器件具有結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，總體可分為微傳感器和微執(zhí)行器兩個(gè)大類，現(xiàn)逐一進(jìn)行介紹。2.2MEMS器件結(jié)構(gòu)功能2.2.1微傳感器

傳統(tǒng)的傳感器件因其制作工藝與半導(dǎo)體IC工藝不兼容，所以無(wú)論在性能、尺寸和成本上都不能與通過(guò)IC技術(shù)制作的高速度、高密度、小體積和低成本的信號(hào)處理器件相適應(yīng)，于是制約了整個(gè)系統(tǒng)的集成化、批量化和性能的充分發(fā)揮。微型傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡(jiǎn)單的物理縮小的速率產(chǎn)物，而是以新的工作機(jī)制和物化效應(yīng)，使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料，通過(guò)MEMS加工技術(shù)制備的新一代傳感器件，具有小型化、集成化的特點(diǎn)。其特點(diǎn)具體包括：

(1)可以極大地提高傳感器性能。在信號(hào)傳輸前就可放大信號(hào)，從而減少干擾和傳輸噪音，提高信噪比；在芯片上集成反饋線路和補(bǔ)償線路，可改善輸出的線性度和頻響特性，降低誤差，提高靈敏度。

(2)具有陣列性?？梢栽谝粔K芯片上集成敏感元件、放大電路和補(bǔ)償線路，還可以把多個(gè)相同的敏感元件集成在同一芯片上。

(3)具有良好的兼容性，便于與微電子器件集成與封裝。

(4)利用成熟的硅微半導(dǎo)體工藝加工制造，可以批量生產(chǎn)，成本非常低廉。

1.微機(jī)械加速度傳感器

微機(jī)械加速度傳感器是最早利用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，并取得廣泛應(yīng)用的微型傳感器之一。微加速度傳感器的主要工作方式有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式，現(xiàn)在又出現(xiàn)了微機(jī)械熱對(duì)流式加速度傳感器。新型加速度傳感器作用原理和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2.2和圖2.3所示。在懸臂梁的端部有一擴(kuò)散加熱電阻，加熱電阻通電后所產(chǎn)生的熱量便沿梁和上下兩個(gè)散熱板傳遞。向上下兩個(gè)散熱板傳導(dǎo)熱量的多少取決于加熱電阻與散熱板間的距離，沿懸臂梁的溫度分布曲線由懸臂梁與散熱板間的相對(duì)位置來(lái)確定?？梢酝ㄟ^(guò)分布在懸臂梁上的P型硅/鋁熱電偶對(duì)懸臂梁溫度的測(cè)量來(lái)測(cè)定懸臂梁與兩個(gè)散熱板的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。這種傳感器的熱電偶具有很高的靈敏度，能夠直接輸出電壓信號(hào)，可以省去復(fù)雜的信號(hào)處理電路，并且對(duì)電磁干擾不敏感。

圖2.2微機(jī)械熱加速度傳感器作用原理

圖2.3微機(jī)械熱加速度傳感器結(jié)構(gòu)在懸臂梁與上、下散熱板的間距為140μm和200μm，梁長(zhǎng)為100μm，梁寬為4μm，梁厚為10μm時(shí)，傳感器的靈敏度為1mV/g，測(cè)量范圍為25g，分辨率為0.0003g。由于結(jié)構(gòu)中沒(méi)有大的質(zhì)量塊，微機(jī)械熱對(duì)流式加速度傳感器具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，但其頻率響應(yīng)范圍很窄。對(duì)加速度計(jì)的研究主要有：

(1)研究基于壓阻原理的壓阻式加速度計(jì)及制造技術(shù)，開(kāi)展相應(yīng)的集成化技術(shù)研究；

(2)單軸與多軸電容式設(shè)計(jì)及制造技術(shù)研究，并研究高精度電容式加速度計(jì)處理電路；

(3)隧道式加速度計(jì)研究，研究高精度微型加速度計(jì)可用于地震監(jiān)測(cè)等弱振動(dòng)檢測(cè)。

2.微機(jī)械角速度傳感器

對(duì)于旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)，需要采用陀螺儀?；贛EMS技術(shù)的微機(jī)械陀螺因其成本低，能批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備、軍事設(shè)備等方面。微機(jī)械陀螺有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等，其工作原理基于哥氏效應(yīng)。

諧振式微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。它由固定在基底上的靜止驅(qū)動(dòng)器、質(zhì)量塊(包括內(nèi)部動(dòng)齒框架及外框架)和兩個(gè)雙端音叉諧振器(DETF)組成。

圖2.4諧振式微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)圖質(zhì)量塊通過(guò)4個(gè)支撐梁固定在基底上。當(dāng)在靜止驅(qū)動(dòng)器上加上驅(qū)動(dòng)電壓(角頻率為ωp)時(shí)，質(zhì)量塊的內(nèi)部動(dòng)齒框架作沿著Y軸方向的振蕩運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)外部的繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(輸入信號(hào)Ω)作用到芯片上，質(zhì)量塊產(chǎn)生沿X軸方向的哥氏力，且通過(guò)內(nèi)支撐梁轉(zhuǎn)移到外框架上，外框架由兩對(duì)支撐梁固定并可沿X軸方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)兩對(duì)杠桿這個(gè)力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個(gè)雙端音叉諧振器(DETF)上。DETF上輸出信號(hào)頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。微機(jī)械陀螺的平面外輪廓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2，厚度僅為2μm。力平衡扭擺式硅MEMS角加速度傳感器由敏感元件、電容式變換器、反饋靜電力矩器、信號(hào)處理電路以及殼體組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。殼體包括真空封裝和基座，敏感元件包括2個(gè)固連在基座上的錨點(diǎn)、1個(gè)長(zhǎng)方形活動(dòng)極板、2個(gè)兩端分別固連在錨點(diǎn)和活動(dòng)極板上的撓性支撐梁和2個(gè)對(duì)稱分布在活動(dòng)極板上表面的質(zhì)量塊，撓性支撐梁位于活動(dòng)極板的中心線上。在活動(dòng)極板下面的基座上，埋置兩對(duì)對(duì)稱分布的電極板，一對(duì)為電容式變換器的敏感電極，一對(duì)為反饋靜電力矩器的施力電極。

圖2.5力平衡扭擺式硅MEMS角加速度傳感器示意圖微機(jī)械陀螺研究主要包括利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硅/玻璃鍵合和深刻蝕釋放工藝進(jìn)行高性能電容式體硅微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新的體硅陀螺加工工藝，開(kāi)展硅帽結(jié)構(gòu)在陀螺圓片級(jí)封裝工藝中的應(yīng)用研究。角加速度傳感器的控制系統(tǒng)如圖2.6所示。當(dāng)殼體有角加速度Ωy輸入時(shí)，敏感元件產(chǎn)生慣性扭轉(zhuǎn)力矩MI，從而引起活動(dòng)極板繞敏感軸向產(chǎn)生角位移Δθ，電容式變換器通過(guò)電容檢測(cè)方式將Δθ轉(zhuǎn)換為與Ω成正比的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路的交流放大、解調(diào)、濾波等處理后輸出電壓Uout，反饋靜電力矩器檢測(cè)Uout，產(chǎn)生一個(gè)和MI相反的靜電力矩Me，使Δθ回復(fù)到零位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)回路。通過(guò)檢測(cè)Uout

可以計(jì)算殼體角加速度。

圖2.6角加速度傳感器控制系統(tǒng)框圖

3.力和壓力微傳感器

三維力微傳感器的設(shè)計(jì)和研制在近些年成為研究熱點(diǎn)。比較常見(jiàn)的是采用鋁材料設(shè)計(jì)基體，將金屬應(yīng)變片貼在需要檢測(cè)力的位置，根據(jù)基體結(jié)構(gòu)的不同可以反饋1～6維的力和力矩信息。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是剛度大，能夠承受很強(qiáng)的負(fù)載；缺點(diǎn)是由于金屬應(yīng)變片的反饋信號(hào)量小，需要設(shè)計(jì)增益很高的檢測(cè)電路并且需要高品質(zhì)的電源和運(yùn)算放大器，提高了成本，并且高增益的檢測(cè)電路經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的電位漂移，從而降低了檢測(cè)精度。隨著MEMS工藝的進(jìn)步，研究人員可以在硅梁上加工出用于力檢測(cè)的惠斯通電橋，這種制作方式的力傳遞效果相對(duì)于貼應(yīng)變片的方式有很大的進(jìn)步。并且由于半導(dǎo)體的應(yīng)變系數(shù)是金屬的50～60倍，因此發(fā)生相同的變形量時(shí)，硅傳感器能產(chǎn)生更大的信號(hào)輸出，從而降低對(duì)檢測(cè)電路的要求。

壓阻式MEMS壓力傳感器工作原理：壓阻式壓力傳感器的性能與結(jié)構(gòu)和制造工藝有著密切的關(guān)系，而傳感器基本結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)同時(shí)考慮性能和工藝可行性這兩個(gè)因素。圖2.7是該傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1表示壓阻薄層條敏感元件，它的電阻率隨應(yīng)力的變化而變化；2表示向上的壓力；3表示向下的壓力；4表示襯底硅元件。

圖2.7壓阻式MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓阻效應(yīng)就是對(duì)于金屬或半導(dǎo)體材料，若沿它的某一晶面加以壓力或拉力，其晶格內(nèi)部將產(chǎn)生畸變，這一畸變將導(dǎo)致晶體內(nèi)部能級(jí)構(gòu)造的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致載流子相對(duì)能量的改變，從而引起晶體固有電阻率變化的物理現(xiàn)象。

4.微型氣敏傳感器

微型氣敏傳感器可分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微型氣敏傳感器的主流。

氣敏傳感器的敏感性能與工作溫度有很大關(guān)系，要求傳感器系統(tǒng)本身具備加熱元件和溫度探測(cè)元件。而基于MEMS技術(shù)的微型氣體傳感器具有高度集成化的特點(diǎn)，易于將氣敏元件和溫度探測(cè)元件集成為一體，保證了氣敏傳感器的性能。圖2.8是一種體積僅為1cm3的二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該氣體傳感器的工作機(jī)理是基于非散射的紅外雙光束、雙波長(zhǎng)的測(cè)量原理。它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)常規(guī)的小型紅外光源、一個(gè)氣室和一個(gè)紅外探測(cè)單元。紅外探測(cè)單元由兩個(gè)單晶硅微型熱輻射儀、一個(gè)寬帶濾波器和一個(gè)微型可變紅外濾光片構(gòu)成，參考信號(hào)源可以補(bǔ)償由于光源污染產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)衰減帶來(lái)的影響。在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)2000×10－6

的樣氣中，該傳感器具有20×10－6

的分辨力(1σ)，時(shí)間常數(shù)為3s。

圖2.8二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)圖

5.微型光傳感器

圖2.9是一種集成微型位移光傳感器的示意圖。該傳感器基底面積為750μm×800μm，單片集成激光二極管(LD)、聚酰亞胺光波導(dǎo)和分離式光電二極管(PD)。

圖2.9微型位移光傳感器該傳感器將來(lái)自LD的光束照射到測(cè)量目標(biāo)上，用分離式光電二極管探測(cè)其反射光斑。若物體移位，則光電二極管上的光斑會(huì)隨之移動(dòng)。用雙分離式PD的工作功率求出位移量，從而可以高精度測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的位移。該傳感器的測(cè)量范圍為712μm，分辨率為4nm(光功率為0.15mW)和117nm(光功率為1mW)。

6.微型電場(chǎng)傳感器

電場(chǎng)傳感器的工作原理是基于導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理。圖2.10提供了一種基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的微型電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

微型電場(chǎng)傳感器由振動(dòng)和感應(yīng)兩大部分組成。振動(dòng)部分的核心是振動(dòng)膜，由氮化硅(Si3N4)薄膜制備，可以在圖2.10所示的垂直方向上振動(dòng)。感應(yīng)電極、屏蔽電極和激振電極對(duì)由分別生長(zhǎng)在振動(dòng)膜和感應(yīng)部分上的金屬電極構(gòu)成。屏蔽電極接地，其上有孔形陣列。

圖2.10微型電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)圖傳感器工作時(shí)，激振電極對(duì)連接交流電壓源，通過(guò)兩個(gè)電極間的庫(kù)侖力作用引起振動(dòng)膜垂直振動(dòng)。調(diào)節(jié)交流電壓頻率，從而使振動(dòng)膜在諧振點(diǎn)附近達(dá)到預(yù)定的振幅。此時(shí)感應(yīng)電極接受經(jīng)過(guò)屏蔽電極周期性屏蔽的電場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)前置放大后接外部檢測(cè)電路。微型電場(chǎng)傳感器彌補(bǔ)了一般電場(chǎng)傳感器體積大、能耗高的缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種環(huán)境下靜電場(chǎng)及低頻電場(chǎng)的測(cè)量，有著廣闊的應(yīng)用前景。2.2.2微執(zhí)行器

近年來(lái)，集成電路技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展迅速，并越來(lái)越多地被應(yīng)用于微執(zhí)行器，如：微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門(mén)、微開(kāi)關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等。基于MEMS技術(shù)的應(yīng)變電容傳感器具有靈敏度高、溫度影響小、抗干擾的特點(diǎn)。在信號(hào)測(cè)試方面，微執(zhí)行器由于采用電容測(cè)量，具有效率高、精度高、不發(fā)熱、響應(yīng)速度快、能量損失小等特點(diǎn)，最主要的是微電容器件技術(shù)完全與硅材料、集成電路處理技術(shù)相一致，便于集成化、一體微機(jī)械加工，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，其中電容器件所具有的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。由于微小尺寸效應(yīng)，使得宏觀世界的許多知識(shí)與法則不再適用，這又引起了設(shè)計(jì)思想和加工工藝的創(chuàng)新，并引出了許多值得深入研究的新課題，諸如：

(1)摩擦和磨損。許多執(zhí)行器中都存在著運(yùn)動(dòng)部件，必然要產(chǎn)生相對(duì)摩擦和磨損，而許多傳統(tǒng)的減少摩擦的有效方法(如安裝滾珠軸承、加潤(rùn)滑油等)又往往不適于微機(jī)械。深入研究結(jié)果表明：當(dāng)執(zhí)行器中運(yùn)動(dòng)部件的幾何尺寸小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，原有宏觀摩擦中的一些基本規(guī)律將不再適用，于是出現(xiàn)了微觀摩擦學(xué)。

(2)加工制造工藝。微制造技術(shù)是制造尺寸為亞毫米到納米數(shù)量級(jí)的微器件的重要加工方法，因此也是研究開(kāi)發(fā)微執(zhí)行器的工藝技術(shù)。例如在直徑僅為1mm的電磁型微馬達(dá)中的定子繞組就無(wú)法采用傳統(tǒng)繞制工藝，而只能借助于微細(xì)加工工藝來(lái)完成。

(3)多學(xué)科交叉。微執(zhí)行器的發(fā)展歷史很短，至今僅數(shù)十年時(shí)間，但開(kāi)發(fā)和研究所涉及的面很廣，是多學(xué)科前沿的綜合交叉。1.微驅(qū)動(dòng)器

微驅(qū)動(dòng)器(微馬達(dá))一般是指尺寸微小、定位精度較高、消耗能量較低的驅(qū)動(dòng)器。1988年，以一個(gè)僅有頭發(fā)絲直徑大小的微馬達(dá)的出現(xiàn)為標(biāo)志，微電子機(jī)械系統(tǒng)取得了更廣泛的研究與發(fā)展。各國(guó)科學(xué)家相繼研發(fā)出了具有多種驅(qū)動(dòng)力輸出形式和用于各種微機(jī)械系統(tǒng)的微驅(qū)動(dòng)器。其中，壓電微馬達(dá)由于采用高能量密度的壓電陶瓷，同時(shí)又具有外形尺寸的減少不影響驅(qū)動(dòng)器效率的特點(diǎn)，而在微驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。微馬達(dá)具有微型化、多樣化和集成化的特點(diǎn)。一個(gè)小的操縱手可以更準(zhǔn)確、更輕柔地抓住并移動(dòng)小目標(biāo)。在掃描定位系統(tǒng)中，小的機(jī)器有更短的響應(yīng)時(shí)間，更細(xì)致的定位。微型機(jī)器可自由地在很細(xì)的管道中移動(dòng)，如在人的靜脈中。微型機(jī)器也可用來(lái)連接和焊接更加細(xì)微的電子元器件。在微觀世界中，要使機(jī)器協(xié)同工作變得非常困難，只有當(dāng)它們共同作用，才可能實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)。由于微馬達(dá)的多樣化，因此需要微集成電路將這些單個(gè)的微馬達(dá)組合在一起，并提供信號(hào)，使它們成為一個(gè)完整、獨(dú)立、協(xié)同的系統(tǒng)。

圖2.11微驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用壓電微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理比一般的壓電馬達(dá)更為精妙。按照壓電微馬達(dá)激勵(lì)部分的材料，可以將壓電微馬達(dá)分為薄膜微馬達(dá)和陶瓷微馬達(dá)；按照驅(qū)動(dòng)機(jī)理，可分為行波壓電微馬達(dá)、駐波壓電微馬達(dá)和蠕蟲(chóng)壓電微馬達(dá)。

下面主要對(duì)壓電薄膜微馬達(dá)分三類逐一介紹，與之并列的壓電陶瓷微馬達(dá)將在第三章中具體闡述。

1)行波壓電薄膜微馬達(dá)

意大利的RiccardoCarotenuto等人于1997年研發(fā)出一種行波壓電薄膜微馬達(dá)。該馬達(dá)的壓電膜表面產(chǎn)生行波，經(jīng)過(guò)面上金屬桿的放大作用，通過(guò)磁性轉(zhuǎn)子磁力產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng)上端轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子諧振頻率8.15kHz，馬達(dá)轉(zhuǎn)速3500r/min，轉(zhuǎn)矩118×10－5

N·m，壓電薄膜直徑32mm，厚度0.12mm。該馬達(dá)可用于讀卡器、掃描儀、打印機(jī)。定子由一個(gè)圓形壓電薄膜和固定在其中心上面的柱狀鋼軸組成，軸的上端面光滑，通過(guò)下面的硅樹(shù)脂彈性作用約束。轉(zhuǎn)子是永磁鐵柱體，通過(guò)磁力壓在定子上端面，由于磁場(chǎng)的對(duì)稱作用，在操作時(shí)轉(zhuǎn)子保持在定子上端中心。圓盤(pán)由32mm×0.11mm的鎳合金盤(pán)和24mm×0.11mm表面金屬化的壓電薄膜(PZT-5盤(pán))粘接而成，如圖2.12所示。

圖2.12微馬達(dá)結(jié)構(gòu)盤(pán)面電極分為四個(gè)區(qū)。壓電薄膜盤(pán)在電壓信號(hào)驅(qū)使下，趨向于徑向振動(dòng)。當(dāng)對(duì)角的兩個(gè)部分在有180°相位差的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下時(shí)，徑向振動(dòng)方向相反，同時(shí)由于金屬盤(pán)的約束，變成彎曲振動(dòng)(見(jiàn)圖2.13)。如果給四個(gè)部分合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，便在表面形成行波，帶動(dòng)定子的鋼軸圓擺。通過(guò)定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖2.13微馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理示意圖

2)駐波壓電薄膜微馬達(dá)

瑞士的P.Muralt等人于1999年研發(fā)出一種駐波壓電薄膜微馬達(dá)。該馬達(dá)利用鱗片結(jié)構(gòu)，將薄膜的表面振動(dòng)轉(zhuǎn)化為馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使用濺射和溶膠-凝膠法在硅定子膜表面沉積PZT膜，膜厚為15～100μm。馬達(dá)的直徑315mm，諧振頻率20kHz，轉(zhuǎn)速5r/min，轉(zhuǎn)矩1μN(yùn)·m，工作電壓1～4V。該類微馬達(dá)由于其超薄、高轉(zhuǎn)矩、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，在手表制造業(yè)中具有應(yīng)用潛力。該馬達(dá)“彈性鱗片”結(jié)構(gòu)如圖2.14所示。當(dāng)薄膜向彈性鱗片移動(dòng)時(shí)，鱗片壓縮彎曲。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以釋放壓力，當(dāng)薄膜背向鱗片移動(dòng)時(shí)，摩擦力減小，鱗片跟隨轉(zhuǎn)子向前移動(dòng)。鋼軸由中心輪固定，頂端與齒輪相連。

圖2.14微馬達(dá)及“彈性鱗片”結(jié)構(gòu)

3)靜電薄膜超聲微馬達(dá)

法國(guó)的J.S.Danel、PhRobert等人于1997年設(shè)計(jì)了一種新型硅膜尺寸為119mm×300μm，10V電壓下諧振頻率為150kHz的靜電薄膜超聲微馬達(dá)。轉(zhuǎn)子放在上面，靠摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該馬達(dá)有不同于普通壓電馬達(dá)的特點(diǎn)，即不需制作高質(zhì)量的壓電薄膜，可廣泛地選取轉(zhuǎn)子材料，并具有與超聲馬達(dá)類似的大力矩、低轉(zhuǎn)速的優(yōu)點(diǎn)。靜電薄膜超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)如圖2.15所示。

圖2.15靜電薄膜超聲微馬達(dá)結(jié)構(gòu)電極通過(guò)靜電力在薄膜表面產(chǎn)生行波。由于波的運(yùn)動(dòng)，薄膜表面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子對(duì)膜的壓力下，由于摩擦力的作用，膜推動(dòng)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.微諧振器

1)單層結(jié)構(gòu)

荷蘭Twente大學(xué)Lammeriank等人于1990年設(shè)計(jì)出具有單層結(jié)構(gòu)的微懸臂梁和微橋諧振器。

單層結(jié)構(gòu)微懸臂梁諧振器如圖2.16所示。

圖2.16單層結(jié)構(gòu)微懸臂梁諧振器為在單面拋光的摻磷N型硅片上蒸發(fā)0.3μm厚的鋁膜，利用射頻濺射工藝濺射50nm厚的Ni-Fe合金，然后光刻，形成鋁引線和合金電阻。

器件背面的腐蝕采用KOH溶液(濃度33%，溫度70℃)和等離子體刻蝕兩步法工藝完成。這種器件的厚度遠(yuǎn)大于諧振時(shí)器件的熱穿透深度。如果給硅微諧振器的激勵(lì)電阻提供一個(gè)交變電壓，則在厚度方向形成周期性變化的溫度場(chǎng)。這個(gè)周期性變化的溫度場(chǎng)將在諧振器內(nèi)部形成周期性交變的熱彎矩，在周期性交變的熱致機(jī)械彎矩的作用下，硅微諧振器發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)熱激勵(lì)頻率與微諧振器的固有頻率相等時(shí)，微諧振器發(fā)生振動(dòng)。

2)雙層結(jié)構(gòu)

微橋諧振器中激勵(lì)電阻位于懸臂梁端部或橋與方膜諧振器的中心，壓敏電橋靠近梁的根部或方膜四個(gè)直邊的中點(diǎn)。激勵(lì)電阻和壓敏電橋通過(guò)在N型(100)晶面硅中擴(kuò)硼形成，采用濕法刻蝕和干法刻蝕相結(jié)合的兩步法進(jìn)行背面刻蝕。

采用KOH溶液(濃度33%，溫度80℃)對(duì)硅片進(jìn)行預(yù)腐蝕，達(dá)到預(yù)腐蝕深度后，采用磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕機(jī)對(duì)硅片背面進(jìn)行腐蝕。所制作的諧振器件的厚度遠(yuǎn)小于諧振時(shí)器件的熱穿透深度，可以認(rèn)為其在厚度方向的溫度是相同的，但是在梁的長(zhǎng)度方向是不同的。

3)三層結(jié)構(gòu)

圖2.17所示為瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的與雙極和CMOS工藝兼容的方膜諧振器。其中方膜諧振器由8μm厚的N型單晶硅(外延層)、二氧化硅和氮化硅薄膜層組成，注入的P型硅電阻用于電熱激勵(lì)和壓阻檢測(cè)，器件背面的微機(jī)械腐蝕采用自停止電化學(xué)腐蝕，腐蝕液為KOH溶液。腐蝕在P型摻雜的襯底和N型外延層之間的PN結(jié)停止。

圖2.17與雙極和CMOS工藝兼容的方膜諧振器

3.微泵

機(jī)械式微泵的驅(qū)動(dòng)方式很多，其中包括壓電微泵、靜電微泵、電磁微泵、熱氣動(dòng)微泵、形狀記憶合金微泵及雙金屬微泵等。非機(jī)械式微泵是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它利用熱、化學(xué)、聲、磁或電動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的驅(qū)動(dòng)，包括電滲流體驅(qū)動(dòng)微泵、電液致動(dòng)微泵、磁流體動(dòng)力泵、重力驅(qū)動(dòng)微泵及表面張力微泵等。同其他驅(qū)動(dòng)方式的微泵相比，壓電微泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、耗能低、無(wú)噪聲及無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，且可通過(guò)施加不同電壓或頻率來(lái)控制輸出流量，因此，壓電微泵具有廣闊的應(yīng)用前景，已有許多國(guó)家的研究人員在進(jìn)行壓電微泵的研制和開(kāi)發(fā)。壓電微泵的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖2.18所示。向壓電雙晶片施加方波信號(hào)時(shí)，壓電雙晶片在電場(chǎng)的作用下發(fā)生周期性彎曲變形，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)PDMS泵膜改變腔體的容積。當(dāng)壓電雙晶片帶動(dòng)泵膜向上移動(dòng)時(shí)，泵腔體積增大，腔內(nèi)流體的壓強(qiáng)減小，使入口閥打開(kāi)，同時(shí)出口閥關(guān)閉，流體在壓差的作用下流入泵腔；相反，當(dāng)壓電雙晶片帶動(dòng)泵膜向下移動(dòng)時(shí)，泵腔內(nèi)壓強(qiáng)增大，使入口閥關(guān)閉，同時(shí)出口閥打開(kāi)，流體在壓差的作用下從出口流出，由此實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)的單向驅(qū)動(dòng)。

圖2.18壓電微泵的結(jié)構(gòu)圖2.18中所示的兩個(gè)被動(dòng)閥片單元是通過(guò)雙面濕法腐蝕工藝制成的。泵腔單元的制作如下：首先在硅片正面旋涂一層厚約100μm的PDMS泵膜并烘干；然后從背面利用濕法腐蝕技術(shù)將硅片減薄至約200μm；最后利用腐蝕技術(shù)將硅片刻穿，形成直徑約6mm的圓孔作為泵腔。

微流體控制系統(tǒng)因其尺寸小、功耗低、控制精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)而受到人們的青睞，已成為MEMS研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。微泵是構(gòu)成微流體系統(tǒng)的重要部件。由于微泵能精確控制流量，它在微量化學(xué)分析與檢測(cè)、微量流體配給、打印機(jī)噴墨陣列、集成電子元件的冷卻、燃料微量注射等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

4.微閥門(mén)

微閥門(mén)也是微流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，主要用來(lái)切斷或接通管路中的流體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。微閥門(mén)的特性關(guān)系著其在各領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。微閥門(mén)常見(jiàn)的分類方法如下：

(1)根據(jù)是否由外來(lái)能量驅(qū)動(dòng)，微機(jī)械式閥門(mén)可分為被動(dòng)閥門(mén)(又稱無(wú)源閥門(mén))和主動(dòng)式閥門(mén)(又稱有源閥門(mén))兩類。雖然這不是唯一的分類方法，但是在學(xué)習(xí)和研究微閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)，采用這種分類方法比較有利。

(2)根據(jù)它們通常是處于開(kāi)通狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，可分為常開(kāi)閥門(mén)和常閉閥門(mén)。

(3)根據(jù)它們是適用于氣體還是液體，可分為氣體閥門(mén)和液體閥門(mén)。

(4)根據(jù)它們的工作方式，可分為比例式閥門(mén)和數(shù)字式閥門(mén)等等。

圖2.19中所示的出/入口微閥門(mén)均由兩層單晶硅微結(jié)構(gòu)芯片疊合而成。以入口閥門(mén)為例，上面一層是懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，下面一層是環(huán)形閥座結(jié)構(gòu)。上層芯片上的倒金字塔形腐蝕坑與下層芯片上閥座的中央通孔分別構(gòu)成微閥門(mén)的兩個(gè)端口。閥座的設(shè)計(jì)減小了閥片與閥座的接觸面積，使閥片易于開(kāi)啟。

圖2.19集成鋁硅雙金屬驅(qū)動(dòng)微型泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)截面圖當(dāng)閥座一側(cè)的壓力較低時(shí)，微閥門(mén)處于截止?fàn)顟B(tài)，流體不能通過(guò)；當(dāng)閥座一側(cè)的壓力較高時(shí)，微閥門(mén)處于導(dǎo)通狀態(tài)，流體在壓力作用下由閥座一側(cè)端口流向閥片一側(cè)端口。

由于單晶硅的材料力學(xué)性能好，抗疲勞性能優(yōu)良，因此微閥門(mén)選用(100)晶面的雙面拋光單晶硅片，采用體硅微機(jī)械加工技術(shù)制作，只需要兩步光刻和氫氧化鉀(KOH)各向異性腐蝕即可，其橫向尺寸小，單向性能好，實(shí)現(xiàn)工藝很簡(jiǎn)單。2.2.3新型MEMS器件

1.RFMEMS器件

MEMS技術(shù)與射頻技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了RFMEMS這一新概念?？梢哉J(rèn)為，RFMEMS是指在射頻系統(tǒng)中用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，用于低頻、中頻、普通無(wú)線電波直到微波、毫米波頻段信號(hào)的產(chǎn)生與處理的元器件或電路。其目前的研究對(duì)象包括可調(diào)電容、機(jī)電式諧振器/濾波器、開(kāi)關(guān)/繼電器、移相器等，已制作出采用表面工藝的梳齒式諧振器，基于硅/金/介質(zhì)復(fù)合膜的電容式開(kāi)關(guān)和可變電容等樣品。研究結(jié)果表明，這些元器件往往表現(xiàn)出比傳統(tǒng)元件更優(yōu)越的內(nèi)在射頻性能，而且有